北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)：力約束管材自由脹形試驗(yàn)研究與材料性能測試
2022-06-06【作 者】程鵬志;郎利輝;葛宇龍;阮尚文;王韜;武海
管材充液成形技術(shù)(tube hydroforming)是指管材在內(nèi)部液壓力和軸向推力作用下充滿模具型腔并貼模，進(jìn)而成形具有一定復(fù)雜型面的空心薄壁零件高壓柔性成形工藝，也被稱為內(nèi)高壓成形或液壓成形工藝，鑒于其特別適用于成形整體、復(fù)雜、薄壁的空心零件，及其成形精度高、材料利用率高、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，該技術(shù)在21世紀(jì)初得到了快速發(fā)展，并開始廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等產(chǎn)業(yè)[1-3].隨著工藝應(yīng)用的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)由于高壓均勻面力等因素的作用，原始板材單向拉伸試驗(yàn)獲得的材料性能參數(shù)不能很好地適用于管材充液成形工藝分析，實(shí)際生產(chǎn)對材料準(zhǔn)確度的要求也越來越高，目前管材充液成形性能測試方法和裝置尚不夠完善和統(tǒng)一[4-8].需要采用更為準(zhǔn)確、可靠的脹形方法獲得材料性能數(shù)據(jù).He等通過比較現(xiàn)有的解析模型，針對AA6061材料建立了基于不同邊界條件的管材脹形統(tǒng)一解析模型，認(rèn)為脹形輪廓為橢圓，并考慮了模具圓角的影響[7-8]. Velasco和Zribi等通過有限元模擬和試驗(yàn)研究了材料性能參數(shù)對管材脹形過程中材料分布和脹形輪廓的影響[9-10];Imaninejad等采用擠出鋁管材對充液脹形中不同的管端約束條件及對管材應(yīng)變狀態(tài)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)中的摩擦力進(jìn)行了定性分析和定量測量.試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的管端約束和摩擦狀態(tài)對材料變形有非常大的影響，以至于可以得到成形極限圖上大范圍內(nèi)的點(diǎn)，材料厚向異性指數(shù)與管材的軸向收縮量呈顯著正相關(guān)[11-12].
本文根據(jù)大量工程經(jīng)驗(yàn)，針對現(xiàn)有TBT (Tube Bulging Test)方法存在的不足之處，提出了一種基于軸向自由脹形的管材充液成形性能測試試驗(yàn)方法及裝置，建立了與之對應(yīng)的理論解析模型，以獲得實(shí)時(shí)脹形高度、軸向收縮量和壁厚變化等數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得應(yīng)力應(yīng)變曲線和材料性能參數(shù).試驗(yàn)管材受力邊界簡單、清晰，摩擦干擾誤差小，易于檢測、采集和處理數(shù)據(jù).
【結(jié) 論】
1、相對于國際上現(xiàn)有的管材脹形試驗(yàn)機(jī)，本文所描述的試驗(yàn)方法和設(shè)備解決了3個固有問題:
①將實(shí)現(xiàn)管端約束的對開螺母卡套部件和密封組件附著在管材兩端，從而保證了管材脹形過程中卡套與半圓形導(dǎo)套的滑動間隙，即保證了管端的自由滑動，排除摩擦干擾的同時(shí)準(zhǔn)確獲得了管材脹形時(shí)的軸向自由收縮數(shù)據(jù);
②鑒于翻邊特征的良好試驗(yàn)效果，比例伺服油缸可以對管材兩端施加精確的推力(或拉力)，并能有效阻止管端被夾持材料向變形區(qū)的流動;
③采用超聲測厚儀實(shí)時(shí)采集管材頂點(diǎn)的厚度變化信息，直接準(zhǔn)確測量推導(dǎo)出厚向應(yīng)變.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集具有較好的可重復(fù)性精度.
2、在管材脹形過程中，環(huán)向應(yīng)力óθ遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力óz，受力狀態(tài)接近于單向拉伸，軸向力的抵消起到了很好的效果，測試結(jié)果能夠很好地反映管材的環(huán)向成形性能.
以下是正文：
